一种基于语义的油井功图计量方法

摘要

本发明涉及一种基于语义的油井功图计量方法，首先将油井的数据信息进行语义化封装，然后根据封装的语义化数据进行功图量油。本发明由于语义技术的引进，功图量油系统提供给用户标准的本体接口，这样使得更多计算机知识有限的用户可以访问功图量油系统，以及在使用功图量油系统时，配置更加简便，操作更加容易；另一方面，由于采用分析功图的方式，进行油井产量的计量，这样避免了原来油田人工巡检，并且需要停井进行测量的量油方式，从而节省了人力资源同时无须停井，间接提高了油井产油的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及油田产量计量技术领域，具体地说是一种基于语义的油井功图计量方法。

背景技术

石油作为一种不可再生资源,对于国家的政治、经济、军事有着不可替代的战略意义。中国石油安全问题严峻,存在着一些重大风险和挑战:随着我国经济持续、稳定、快速的发展,石油消费也持续增长,原油需求持续上升,石油供需缺口有增大的趋势,并逐渐成为制约我国经济发展的重要因素之一。截止2009年底,中国石油探明剩余可采储量为27.9亿吨,剩余可采储量储采比为14.8,然而在这些剩余可采储量中,石油资源储量品质较差,低渗、特低渗或超低渗油、稠油和埋深大于3500m的石油资源超过50％,不仅开发勘探难度在逐渐加大,开发成本增加,而且老油区综合含水高,普遍进入产量递减阶段。面对这样的严峻形势,各油田企业都意识到了提高原油生产效率的重要性,并在降低投资、节约成本、提高油田数字化管理水平等方面做了大量的努力。其中,油井产量计量自动化是油田生产数字化管理的一个重要体现。

油井产量计量是油田生产管理工作中的一个重要环节,及时准确的油井产量资料是考察油井单位时间的产量、跟踪掌握地下油藏区块的动态信息、预测和评价油井区块的开发潜力、总体分析和把握油田的全局产能情况、合理制定油田生产方案的重要依据。尤其是对于超低渗油区,不仅产量低,气油比高,而且普遍存在间歇出液现象,间歇时间长短不一,产液量波动较大,且没有规律可循,造成短时计量很难得出油井的真实产量,从而使抽油机长期处于低效工作状态,造成能量的浪费、设备的无效磨损、经济效益的损失。因此,及时准确的油井产量资料能够有效的反馈单井的生产情况,判断间歇出液现象的出现及持续时间,根据这些信息改变抽油机的工作状态,利用间歇抽油的生产方式提高泵效,最终实现节能增产的目标。总之,努力通过各种手段提高抽油机的单井产量计量水平对提高油田生产管理水平有着非常重要的现实意义。

经过近十几年技术的引进和我国自身的研究与发展,针对不同的工况,出现了很多不同的计量方式:计量间计量、翻斗计量、计量车、差压式计量和功图计量等。其中功图计量是当前最为普遍的计量方法。功图量油法是充分利用抽油机自身的运动特性并结合油井的生产数据来对油井产量进行计量的一种方法。所谓功图,就是一条反映在一个汲取周期里悬点载荷与悬点位移关系的封闭曲线,它能够反映泵的工作状态,不仅能用来进行油井状态的诊断,而且能结合油井的生产数据,最终实现对油井产液量的计量。目前获取功图的方法很多,但在数字化油田建设模式下,主要是通过安装在抽油机悬绳器上的载荷传感器和安装在抽油机游梁上的位移传感器来实现的。功图法计量的基本模式有着一些明显的优势:1.通过使用传感器和无线/有线数据传输,可以实现远程、实时、连续、自动计量；2.具备一定的通用行,便于在油区复制、推广使用；3.除了初装、定期维护与检修之外,基本不需要人员到现场进行操作,节约了大量人力、物力,有利于降低使用成本,尤其是在油井分散的井区,这种优势更为明显。但尽管功图量油法优点众多,但其在系统异构性和开放性方面存在的问题仍有待解决。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种油田数据采集设备的本体库构建的流程及油井功图计量的方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于语义的油井功图计量方法，首先将油井的数据信息进行语义化封装，然后根据封装的语义化数据进行功图量油。

所述将油井的数据信息进行语义化封装包括以下步骤：

步骤1：构建初始传感器本体，分析传感器本体，并获取领域知识；

步骤2：根据领域知识设计传感器本体的组织结构，建立传感器本体框架；

步骤3：定义类和类的层次，根据类和类的层次定义类的属性，建立并用形式化语言描述传感器本体；

步骤4：传感器本体对油田的测量设备数据进行封装，并通过功图量油系统存储进数据库中。

所述领域知识包括传感器领域的文档信息、专家知识和可复用本体。

所述类的层次定义为“is-a”关系；所述类的层次定义方式包括自顶向下和自底向上。

所述类的属性定义过程为：从传感器领域文档中抽取出可以表示传感器实际含义的专业词汇，将这些词汇作为传感器本体的属性标签。

所述根据封装的语义化数据进行功图量油包括以下过程：

Q＝1440*N_s*A_p*S_pe

式中，N_s表示抽油机的冲次，A_p表示柱塞横截面积，S_pe表示柱塞有效冲程。

所述抽油机的冲次和柱塞横截面积通过传感器设备测量直接得到。

所述柱塞有效冲程包括以下计算过程：

步骤1：在泵功图分布若干个点的横坐标载荷x和纵坐标位移y；

步骤2：针对泵功图上的点，求出横坐标的最大值X_max和最小值X_min，纵坐标的最大值Y_max和最小值Y_min；

步骤3：将泵功图的离散点归一化，形成归一化泵功图：

${\mathrm{\Delta X}}_i=\frac{\overline{X_i}-X_{min}}{X_{\max }-X_{min}}$

${\mathrm{\Delta Y}}_i=\frac{\overline{Y_i}-Y_{min}}{Y_{\max }-Y_{min}}$

其中，ΔX_i为归一化之后每个点的横坐标，ΔY_i为归一化后每个点的纵坐标；

步骤4：计算归一化泵功图中每一点的曲率值K_i：

$K_i=\frac{4S_{\Delta }}{L_{i-1}·L_i·L_{i+1}}$

P＝(L_i-1+L_i+L_i+1)/2

$S_{\Delta }=\sqrt{P·(P-L_{i-1})·(P-L_i)·(P-L_{i+1})}$

$L_{i-1}=\sqrt{{(y_i-y_{i-1})}^2+{(x_i-x_{i-1})}^2}$

$L_i=\sqrt{{(y_{i+1}-y_i)}^2+{(x_{i+1}-x_i)}^2}$

$L_{i+1}=\sqrt{{(y_{i+1}-y_{i-1})}^2+{(x_{i+1}-x_{i-1})}^2}$

其中，K_i为归一化泵功图中每一点的曲率值，该公式为计算曲率的通用公式，其中，L_i-1为(x_i,y_i)与(x_i-1,y_i-1)之间的距离，L_i为(x_i,y_i)与(x_i+1,y_i+1)之间的距离，L_i+1为(x_i+1,y_i+1)与(x_i-1,y_i-1)之间的距离，P为临时变量表示三者之和的一半，S_△为点(x_i,y_i)，(x_i+1,y_i+1)，(x_i-1,y_i-1)所围成三角形的面积；

步骤5：计算归一化泵功图每一点的曲率变化率：

δ_i＝|K_i+1-K_i|

其中，δ_i为临近两个点的曲率差；

步骤6：在归一化泵功图中分别找出上冲程和下冲程中曲率变化最大的两个点，得出其横坐标差值的绝对值，比较得出的两个绝对值中小的绝对值即为柱塞有效冲程。

泵功图中的点，通过五点法求其横坐标的平均值和纵坐标的平均值，用每个点临近四个点的坐标平均值代替该点的坐标作为泵功图的点坐标：

$\overline{X_i}=\frac{x_{i-2}+x_{i-1}+x_i+x_{i+1}+x_{i+2}}{5}$

$\overline{Y_i}=\frac{y_{i-2}+y_{i-1}+y_i+y_{i+1}+y_{i+2}}{5}$

其中，x_i为泵功图的中的每个点的横坐标，y_i为泵功图的中每个点的纵坐标，x_i+1、x_i+2、x_i-1、x_i-2代表每个点临近四个点的坐标，y_i+1、y_i+2、y_i-1、y_i-2代表每个点临近四个点的坐标，为横坐标平均值，为纵坐标平均值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.由于语义技术的引进，功图量油系统提供给用户标准的本体接口，这样使得更多计算机知识有限的用户可以访问功图量油系统，以及在使用功图量油系统时，配置更加简便，操作更加容易。

2.由于采用分析功图的方式，进行油井产量的计量，这样避免了原来油田人工巡检，以及需要停井进行测量的量油方式，从而节省了人力资源同时无需停井，间接提高了油井产油的效率。

附图说明

图1是本发明的语义化本体库结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1为本发明的语义化本体库结构图。油田数据语义化封装阶段包括本体分析，本体设计，本体建立三个过程。要有领域专家的参与，该阶段构建出一个初始传感器本体，即实现传感器及其观测的最基本概念和主要关系建模，是本体处理阶段的基础。

本体分析:获取领域知识，本体知识的主要来源有传感器领域的文档信息，专家知识以及可复用的本体。在该阶段应该尽可能列举出系统想要陈述的或要向用户解释的所有概念。

本体设计:为大量领域概念组织结构，建立本体框架或在原有框架的基础上进行扩展。评估每个概念的重要性，选出关键性术语，给出明确性定义，按照相应规则对其分组，实现本体模块化设计。

本体建立:首先，定义类和类的层次，类的定义要明确，保证无歧义，类的层次定义可根据具体情况选择自顶向下，自底向上和综合法，并确保类的等级是“is-a”关系，避免类循环和保证一个类应有直接子类数量为2-12个；其次，定义类属性和属性分面，类的属性可根据内在特性，外在特性，局部和个体关系四种特性进行分层和定义，同时根据属性值的特征定义属性的约束及分面，一个属性可能由多个分面组成，包括属性取值类型，允许的取值，取值个数和其它属性取值特征；最后，本体实现，用形式化语言描述传感器本体。

在建立传感器本体后，油田的测量设备数据可以使用传感器本体进行封装，功图量油系统将这些封装的数据存储进数据库中，在步骤二中，我们将使用这些数据。

系统开发语言采用Java，开发工具包采用JDK1.6，开发工具使用Myeclipse，数据存储工具采用MySQL，本体语言采用OWL，本体解析工具采用Jena，本体编辑工具采用Protégé。

传感器核心本体应用范围为语义传感器物联网；应用目标为构建一个扩展性良好的传感器核心本体，能根据不同的应用领域，添加适当的类和个体；核心概念为传感器，传感器特性，传感器观测值，观测时间，空间和主题以及相应的服务信息；用途为为传感器及其观测提供共享概念模型，丰富传感数据的语义，实现基于时间，空间和主题语义的传感器发现。参考传感器领域本体和两个顶层本体(SuMO本体和DULCE本体)以及国家传感器标准，撰写类的定义文档，基于本体设计构建类的层次，其层次结构如图1所示。

本体库中分为四大类，分别为传感器，空间，时间，主题。传感器类包括传感器数据(单位，频率，数据值)，制造信息(制造者，软件系统，硬件系统)，工作状态(未上电或损坏，工作，休眠)，提供服务(自主添加)四个子类。空间类包括行政区域(国家，省份，城市，县/乡)，地理坐标(经度，纬度)两类。时间类包括服役时间(开始服役时间，结束服役时间)，工作时间(开始工作时间，结束工作时间)两类。主题类包括兴趣点类(自主添加)。其中自主添加的类要根据具体用户需求进行半自动化添加。

功图量油

计算产液量的所有参数，均可通过示功图以及传感器设备直接得到或者计算出，示功图是二维坐标系下抽油机载荷和位移形成的闭合曲线，曲线上每个点的数据值，均由步骤一封装的语义数据得到，同样传感器设备的数据也由语义封装得到，油田单井每天理想产液量的计算公式如下：

Q＝1440*N_s*A_p*S_pe

式中N_s表示抽油机的冲次，A_p表示柱塞横截面积，S_pe表示柱塞有效冲程。

利用有效冲程计算产量的方法所涉及的关系式是一个准确的产量计算公式,它的主要问题是如何通过功图准确地计算出柱塞的有效冲程S_pe，N_s和A_p均可由传感器设备测量直接得到，因此，目前所说的功图法计量技术就是选择更为可行的利用柱塞有效冲程的方法来实现井下理想产液量的计算。

通过示功仪的到功图数据后，按照如下步骤计算出有效冲程S_pe，冲次与截面积通过传感器设备可以直接测出。

(1)得出泵功图的200个点—横坐标载荷x，纵坐标位移y。

(2)针对步骤一每一个点，利用五点法，求其横纵坐标的平均值作为继续运算的泵功图。公式如下，其中x_i为泵功图的中的每个点的横坐标，y_i为每个点的纵坐标，五点法采用每个点临近五个点的坐标平均值代替该点的坐标，为横坐标平均值，为纵坐标平均值。

$\overline{X_i}=\frac{x_{i-2}+x_{i-1}+x_i+x_{i+1}+x_{i+2}}{5}$

$\overline{Y_i}=\frac{y_{i-2}+y_{i-1}+y_i+y_{i+1}+y_{i+2}}{5}$

(3)针对泵功图的每个点，求出泵功图中横坐标最大值X_max和最小值X_min，纵坐标的最大值Y_max和最小值Y_min。

(4)将泵功图离散点归一化，归一化公式如下，为归一化之后每个点的横坐标，为归一化后每个点的纵坐标，归一化后形成新泵功图。

${\mathrm{\Delta X}}_i=\frac{\overline{X_i}-X_{\min }}{X_{\max }-X_{\min }}$

${\mathrm{\Delta Y}}_i=\frac{\overline{Y_i}-Y_{\min }}{Y_{\max }-Y_{\min }}$

(5)计算新泵功图中每一点的曲率值K_i，公式如下，其中L_i-1为(x_i,y_i)与(x_i-1,y_i-1)之间的距离，L_i为(x_i,y_i)与(x_i+1,y_i+1)之间的距离，L_i+1为(x_i+1,y_i+1)与(x_i-1,y_i-1)之间的距离。

$K_i=\frac{4·L_{i-1}·L_{i+1}·sin\beta }{L_{i-1}·L_i·L_{i+1}}=\frac{4S_{\Delta }}{L_{i-1}·L_i·L_{i+1}}$

$S_{\Delta }=\sqrt{P·(P-L_{i-1})·(P-L_i)·(P-L_{i+1})}$

$L_{i-1}=\sqrt{{(y_i-y_{i-1})}^2+{(x_i-x_{i-1})}^2}$

$L_i=\sqrt{{(y_{i+1}-y_i)}^2+{(x_{i+1}-x_i)}^2}$

$L_{i+1}=\sqrt{{(y_{i+1}-y_{i-1})}^2+{(x_{i+1}-x_{i-1})}^2}$

(6)计算新泵功图每一点的曲率变化率，公式如下，即临近两个点的曲率的差，用表示。

δ_i＝|K_i+1-K_i|

(7)在新泵功图中寻找上冲程中曲率变化最大的两个点，他们横坐标差值的绝对值记为C₁，以及下冲程中曲率变化最大的两个点，他们横坐标的差值的绝对值记为C₂，C₁和C₂较小的值即为有效冲程。

由此计算出有效冲程，从而计算出单井一天的理想产液量。